Углерод - характеристика, строение и свойства элемента

Углерод – это один из самых важных химических элементов, без которого невозможна жизнь всех живых организмов. Он является основным компонентом всех органических соединений, которые поддерживают жизнь на Земле. 

С этим атомом тесно связано понятие «органическая химия», основоположником которой является великий учёный Берцелиус Йёнс Якоб.

Положение углерода в периодической системе химических элементов

Кратко об углероде (С):

• порядковый номер атома углерода – 6;

• он расположен во втором периоде;

• углерод занимает 4 группу, главную подгруппу (а).

Электронное строение углерода

₊₆C )₂ )₄ 1s² 2s² 2p²

У атома углерода всего два электронных уровня. На первом расположено 2 электрона, на втором – 4. Всего электронов 6, а значит, заряд ядра будет равен +6.

Атомная масса атома – 12.011.

Степень окисления углерода (-4; -2; 0; +2; +4) зависит от вещества, в котором он состоит.

Примеры:

• С^-4Н₄⁺¹;

• C^-2H₃⁺¹ Cl^-1;

• C⁰H⁺¹₂Cl^-1₂;

• C^-2H⁺¹Cl^-1₃;

• C⁺⁴Cl₄^-1.

Аллотропные модификации и физические свойства

Рассмотрим 4 основные аллотропные модификации углерода, их формулы и физические свойства.

Алмаз (С)

Физические свойства:

1. Благодаря своей уникальной кристаллической решётке, алмаз считается самым твёрдым камнем на планете после корунда.

2. Из твёрдости алмаза следует ещё одно его важное физическое свойство – высокая плотность.

3. Алмаз отличается своей уникальной теплопроводностью, которая лидирует среди всех твёрдых тел. Кроме того, такая порода не проводит электричество.

Графит (С)

Физические свойства:

• тёмный, ближе к чёрному цвет;

• имеет сильно выраженный металлический блеск;

• прозрачность проявляется в наименьшей степени;

• имеет огромную температуру сгорания (38500 градусов по Цельсию);

• температура плавления больше 3800 градусов по Цельсию:

• теплопроводность 100 - 354 Вт.

Фуллерен (С₆₀)

Физические свойства:

• плотность 1,68 г/см³;

• температура плавления 1180 градусов по Цельсию;

• не растворяется в воде (но растворим в бензоле);

• плотность 1,69 г/см³;

• не имеет цвета.

Карбин (CH₃OH)

Физические свойства:

• консистенция – порошок;

• цвет чёрный;

• электропроводен (зависит от действия света: чем он больше, тем выше электропроводность);

• плотность 1,9 -3,30 г/см³;

• высокая твёрдость и теплопроводность.

Качественные реакции

Цель проведения качественных реакций – выявление наличия нужного атома, вещества или иона.

Рассмотрим их подробнее:

1. Ca(OH)₂ + CO₂ = Ca(CO₃) (осадок) + H₂O – образование вещества, нерастворимого в воде, что свидетельствует о том, что в реакции присутствует углекислый газ.

2. CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H2O + CO₂ – образование углекислого газа, что говорит о присутствии в реакции иона CO₃^2-.

Соединения углерода

Углерод образует два оксида:

1. Оксид углерода (II) – CO. Другое название – угарный газ.

Характеристика: не имеет запаха и цвета. Опасен для жизни живых организмов. Молярная масса – 28,01 г/моль. Получают за счёт окисления углерода кислородом:

C + O₂ = 2CO + Q (теплота).

2. Оксид углерода (IV) – CO₂. Другое название – углекислый газ, «сухой лёд». Характеристика: без цвета и запаха. Не горит и не поддерживает горения.

C+O₂ = CO₂ + Q.

Это кислотный оксид, которому соответствует угольная кислота. Молярная масса – 44,01 г/моль.

Карбиды – бесцветные вещества, имеющие форму кристаллов и содержащие в своём составе углерод. Примеры: SiC, Al₃C₄, CaC₂, Cr₃C_2.

Органические соединения углерода:

• углеводороды (алкины, алкены, алканы);

• кислородосодержащие соединения (спирты, кислоты и альдегиды, кетоны);

• азотосодержащие соединения (нитросоединения, амины, аминокислоты).

Химические свойства углерода

Углерод является и окислителем и восстановителем.

Окислитель:

C⁰ + 4e = C^-4

Примеры:

4Al + 3C⁰ = Al₄C₃

C⁰ + 2H₂ = CH₄

Восстановитель:

C⁰ – 4e = C⁺⁴

C⁰ – 2e = C⁺²

Примеры:

C⁰ + O₂ = CO₂

C⁰ + 2CuO = 2Cu + C⁺⁴O₂ 

Углерод – это неметалл, т. е. принимает на внешний уровень недостающие атомы.

Таким образом, значение углерода в жизни всего живого очень велико. Его многочисленные уникальные свойства, различные модификации позволяют использовать углерод во множестве сфер промышленности.